JPH06221702A - スターリングエンジン駆動のヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮機の効率を向上させると共に、ベローズ
の耐久性を向上させること。 【構成】 第１及び第２ベローズ４１，４４外に通じる
室にスターリングエンジンの作動ガスを封入したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリングエンジン
駆動のヒートポンプに関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来、この種のヒートポンプとしては、
例えば、特開平３−２７１５５１号公報に示されるもの
が知られている。これは、ダイアフラムで区画された一
方の室にスターリングエンジンの作動ガスを導入し、他
方の室にヒートポンプ回路の冷媒を導入するもので、ス
ターリングエンジン内に設けられたディスプレーサピス
トンの動きに連動するように、ダイアフラムをスターリ
ングエンジンの作動ガスにより往復運動させて上記他方
の室内に供給されたヒートポンプ回路の冷媒を圧縮又は
膨張させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したダイアフラム
を用いた圧縮機においては、ヒートポンプ回路の冷媒が
導入される圧縮室にオリフィスを介して連通する中間圧
室が設けられているので、上記圧縮室が圧縮されている
途中で、圧縮室内の冷媒がオリフィスを介して中間圧室
に逃れてしまう。その結果、この中間圧室がヒートポン
プ回路中の圧縮器の死容積として作用し、圧縮器の効率
を低下させるという問題点がある。

【０００５】故に、本発明は、上記の問題点を解決する
ことを、その技術的課題とするものである。

【０００６】

【発明の構成】

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために本発明において講じた技術的手段は、圧縮機，
凝縮器，膨張弁及び蒸発器を有するヒートポンプ回路の
圧縮機をスターリングエンジンの作動ガスにより動作さ
せるスターリングエンジン駆動のヒートポンプにおい
て、圧縮機を大径部，大径部の一端に固定された第１小
径部及び大径部の他端に固定された第２小径部を有した
段付状のハウジングと、ハウジングの大径部内に摺動自
在に配設され大径部との間で第１圧縮室及び第２圧縮室
を形成する作動ピストンと、第１，第２圧縮室にヒート
ポンプ回路の冷媒を導入するための一対の吸入弁と、第
１，第２圧縮室の冷媒をヒートポンプ回路に供給するた
めの一対の吐出弁と、ハウジングの第１小径部内に摺動
自在に配設され第１ロッドを介して作動ピストンと連結
され第１ロッドが連結された面とは反対の面がスターリ
ングエンジンの作動ガスの圧力を受けるパワーピストン
と、ハウジングの第２小径部内に配設され第２ロッドを
介して作動ピストンと連結された可動部材と、第１ロッ
ドの第１小径部内に収容された部分を覆うようにハウジ
ングとパワーピストンとに結合された第１のベローズ
と、第１のベローズ内に形成されハウジングにより第１
圧縮室と区画された第１中間圧室と、第１のベロースと
第１小径部との間に形成されハウジングにより第１圧縮
室と区画された第１作動室と、第２ロッドの第２小径部
内に収容された部分を覆うようにハウジングと可動部材
とに結合された第２のベローズと、第２のベローズ内に
形成されハウジングにより第２圧縮室と区画された第２
中間圧室と、第２のベロースと第２小径部との間に形成
されハウジングにより第２圧縮室と区画された第２作動
室と、第１中間圧室の圧力と第１作動室との圧力とを釣
合せると共に第２中間圧室の圧力と第２作動室の圧力と
を釣合せる圧力調整器とから構成し、両ベローズ外に通
じる室にスターリングエンジンの作動ガスを封入し、両
圧縮室に通じる室にヒートポンプの冷媒を封入したこと
である。

【０００８】

【作用】上記技術的手段によれば、第１圧縮室と第１中
間圧室とが完全に区画されていると共に第２圧縮室と第
２中間圧室とが完全に区画されているので、第１又は第
２圧縮室が圧縮されている途中で、第１又は第２圧縮室
内のヒートポンプ回路からの冷媒が第１又は第２中間圧
室内に逃がされることはない。従って、圧縮機の効率が
従来技術と比較して向上する。

【０００９】又、圧力調整器により両ベローズ内外の室
（即ち、第１中間圧室と第１作動室及び第２中間圧室と
第２作動室）間の圧力差を限りなく小さくなり、両ベロ
ーズの耐久性が向上する。

【００１０】一方、スターリングエンジンの高出力化を
図るためには、スターリングエンジン内の作動ガスの封
入圧を高くする必要性があり、その場合、圧縮機に導入
されるスターリングエンジンの作動ガスの封入圧が高く
なる。又、ベローズは、外圧に対する強度のほうが内圧
に対する強度よりも大きいことが一般的に知られてい
る。そこで、この高圧の作動ガスをベローズ外の室（即
ち第１及び第２作動室）内に封入するようにしたので、
第１及び第２ベローズの耐久性が著しく向上する。つま
り、スターリングエンジン内の作動ガスの封入圧を高圧
にしても何ら問題はなくなり、スターリングエンジンの
高出力化が容易に図れ、実用性が高くなる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１２】図１は、本実施例に係るスターリングエン
ジン駆動のヒートポンプ１０の構成図である。

【００１３】図１に示されるように、スターリングエン
ジン１１は、シリンダ１２内を摺動自在に配設されたデ
ィスプレーサピストン１３を備えており、シリンダ１２
内のピストン１３上方に膨張空間１４が、ピストン１３
下方に圧縮空間１５が夫々形成されている。シリンダ１
２の外周には、冷却器１６，蓄熱器（再生器）１７及び
ヒータ１８が配設されており、膨張空間１４は複数のヒ
ータチューブ１８，蓄熱器１７及び冷却器１６を介して
圧縮空間１５に連通している。ヒータチューブ１８は、
シリンダ１２の図示上方に配設された加熱器１９に面し
ており、加熱器１９内の燃焼熱によって加熱されるよう
になっている。又、膨張空間１４と圧縮空間１５とを含
む作動空間内には、ヘリウムガス等の作動ガス（以下、
ヘリウムと称する。）が封入されている。シリンダ１１
下方には、クランクケース２０が固設されており、クラ
ンクケース２０内に配設されたモータ２１により、クラ
ンク及びロッドを介してピストン１３を上下方向に往復
移動させるようになっている。

【００１４】上記の如く構成されたスターリングエンジ
ンの作動について説明する。

【００１５】モータ２１によりディスプレーサピストン
１３が上死点に向かって移動すると、膨張空間１４内の
ヘリウムがヒータチューブ１８を介して熱を吸熱して昇
温し、蓄熱器１７内で放熱（蓄熱）された後、冷却器１
６内で冷却されて圧縮空間１５に供給される。その結
果、作動空間内のヘリウムガスの温度が次第に低くな
り、作動空間内のヘリウムガスの圧力が次第に低くな
る。一方、モータ２１によりディスプレーサピストン１
３が下死点に向かって移動すると、圧縮空間１５内のヘ
リウムが冷却器１６内で冷却されて蓄熱器１７内で昇温
された後、ヒータチューブ１８を介して熱を吸熱してさ
らに昇温し、膨張空間１４に供給される。その結果、作
動空間内のヘリウムガスの温度が次第に高くなり、作動
空間内のヘリウムガスの圧力が次第に高くなる。

【００１６】図１に示すスターリングエンジン駆動のヒ
ートポンプ１０のヒートポンプ回路２２は、圧縮機２３
からのフレオンガス等の冷媒（以下、フレオンガスと称
する。）を凝縮器２４にて一部放熱して液化させる。凝
縮器２４を通過したフレオンガスは、膨張弁２５により
等エンタルピーに膨張し、低温低圧の液体となり、室外
蒸発器２６に入り、外部からの熱により蒸発する。気化
したフレオンガスは圧縮器２３に戻る。ここで、凝縮器
２４からの熱が暖房熱源として利用される。尚、冷房時
は、フレオンガスを上記とは逆に流すことで、凝縮器２
４を蒸発器として作用させ、室内の熱を奪い、液化ガス
を気化させるようにする。

【００１７】圧縮機２３は、段付状のハウジング２７を
有している。このハウジング２７は、大径部２８，第１
小径部２９及び第２小径部３０から構成されている。第
１小径部２９は、段付形状を呈しており、大径部２８の
図示右端に固定されている。

【００１８】この第１小径部２９は、大径の第１段部２
９ａと小径の第２段部２９ｂとを有している。又、第２
小径部３０は、段付形状を呈しており、大径部２８の図
示左端に固定されている。この第２小径部３０は、大径
の第１段部３０ａと小径の第２段部３０ｂとを有してい
る。

【００１９】ハウジング２７の大径部２８内には、作動
ピストン３１が図示左右方向に摺動自在に配設されてお
り、この作動ピストン３１と大径部２８の右側の壁との
間で第１圧縮室３２が、この作動ピストン３１と大径部
２８の左側の壁との間で第２圧縮室３３が、夫々形成さ
れている。大径部２８には、第１，第２圧縮室３１，３
２にヒートポンプ回路２２のフレオンガスを導入するた
めの一対の吸入弁３４ａ．３４ｂが、第１，第２圧縮室
３１，３２内のフレオンガスをヒートポンプ回路２２に
供給するための１対の吐出弁３５ａ，３５ｂが、夫々設
けられている。

【００２０】第１及び第２圧縮室３１，３２は、吸入弁
３４及び吸入通路６１を介して蒸発器２６に接続される
と共に、吐出弁３５及び吐出通路６２を介して凝縮器２
４に接続されている。

【００２１】ハウジング２７の第１小径部２９の第１段
部２９ａ内には、パワーピストン３６が図示左右方向に
摺動自在に配設されており、第１段部２９ａとの間で室
３７を形成している。この室３７は、通路６０を介して
スターリングエンジン１１の圧縮空間１５に連通してお
り、スターリングエンジン１１のヘリウムガスが通路６
０を介して導入されてパワーピストン３６の右端面にこ
のヘリウムガスの圧力が加えられるようになっている。
パワーピストン３６は、ロッド（第１ロッド）３８を介
して作動ピストン３１に連結されている。一方、ハウジ
ング２７の第２小径部３０の第１段部３０ａ内には、可
動部材３９が図示左右方向に摺動自在に配設されてお
り、ロッド（第２ロッド）４０を介して作動ピストン３
１に連結されている。従って、パワーピストン３６と連
動して作動ピストン３１及び可動部材３９が作動するよ
うになっている。

【００２２】第１小径部２９の第２段部２９ｂの図示左
端には、内方に向かって突出する突出部２９ｃが設けら
れており、突出部２９ｃとパワーピストン３６との間に
は、ロッド３８の第１小径部２９内に収容された部分を
覆うように第１のベローズ４１が結合されている。第１
のベローズ４１内には、第１中間圧室４２が形成されて
おり、ハウジング２７の大径部２９及びシール部材５３
により第１圧縮室３２と区画されている。従って、第１
圧縮室３２内のフレオンガスがシール部材５３を介して
第１中間圧室４２に漏れることはない。第１のベローズ
４１と第１小径部２９との間には、第１作動室４３が形
成されており、室３７に導入されたヘリウムガスがパワ
ーピストン３６のピストンリングを介してこの第１作動
室４３に封入されるようになっている。

【００２３】一方、第２小径部３０の第２段部３０ｂの
図示右端には、内方に向かって突出する突出部３０ｃが
設けられており、突出部３０ｃと可動部材３９との間に
は、ロッド４０の第２小径部３０内に収容された部分を
覆うように第２のベローズ４４が結合されている。第２
のベローズ４４内には、第２中間圧室４５が形成されて
おり、ハウジング２７の大径部２９及びシール部材５３
により第２圧縮室３３と区画されている。従って、第２
圧縮室３３内のフレオンガスがシール部材５３を介して
第２中間圧室４５に漏れることはない。第２中間圧室４
５は、通路６３を介して第１中間圧室４２に常時連通し
ている。又、第２のベローズ４４と第２小径部３０との
間には、第２作動室４６が形成されており、この第２作
動室４６は、通路６４を介して第１作動室４３に常時連
通している。この結果、第２作動室４６内には、スター
リングエンジン１１からのヘリウムガスが封入されるよ
うになっている。

【００２４】ハウジング２７の近傍には、圧力調整器４
７が配設されており、この圧力調整器４７のハウジング
４８内には、浮動ピストン４９が図示左右方向に移動自
在に配設されている。この浮動ピストン４９とハウジン
グ４８との間には、ベローズ５０が結合されており、ベ
ローズ５０内には、室５１が形成されている。この室５
１は、通路６５及び通路６２を介して両圧縮室３２，３
３に接続されると共に、通路６５及び通路６３を介して
両中間圧室４２，４５に接続されており、両圧縮室３
２，３３の吐出圧（ヒートポンプ回路２２の最高吐出
圧）が部屋５１に加えられるようになっている。一方、
浮動ピストン４９とハウジング４８の右端面との間に
は、室５２が形成されており、この室５２は、通路６４
を介して第１及び第２作動室４３，４６に常時連通して
おり、スターリングエンジン１１からのヘリウムガスが
封入されるようになっている。尚、ハウジング５３に
は、内方に向かって突出するストッパ５３が設けられて
いる。

【００２５】上記の如く構成されたヒートポンプ回路２
２の作動について説明する。

【００２６】予め、スターリングエンジン１１の作動空
間内のヘリウムガスが通路６０を介して室３７に封入さ
れ、次いで、第１作動室４３に封入され、その後、通路
６４を介して第２作動室４６及び圧力調整器４７内の室
５２に封入される。この結果、圧力調整器４７内の浮動
ピストン４９が図示左方向に移動してストッパ５３に当
接する。尚、上記の作動状態においては、スターリング
エンジン１１のディスプレーサピストン１３は作動して
いない。

【００２７】次に、スターリングエンジン１１のディス
プレーサピストン１３が下死点に向かって移動すると、
前述の如く作動空間内のヘリウムガスの温度が高くな
り、作動空間内のヘリウムガスの圧力が上昇する。その
高圧のヘリウムガスが通路６０を介して室３７内に導入
されると、室３７内の圧力が上昇してパワーピストン３
６，作動ピストン３１及び可動部材３９が図示左方向に
移動する。その結果、第２圧縮室３３内のヒートポンプ
回路２２のフレオンガスが圧縮されて高圧になり、吸入
弁３４ｂが閉じると共に吐出弁３５ｂが開放して第２圧
縮室３３内の高圧フレオンガスが吐出通路６２を介して
凝縮器２４に供給される。この圧は、吐出通路６２及び
通路６３を介して第１及び第２中間圧室４２，４５に伝
達されると共に、吐出通路６２及び通路６５を介して圧
力調整器４７内の室５１に伝達される。ここで、この室
５１内の圧力が室５２内の圧力よりも高い場合には、浮
動ピストン４９が図示右方向に移動する。その結果、室
５２が圧縮されて圧力が上昇し、この圧力が第１及び第
２作動室４３，４６内に伝達されて、第１及び第２作動
室４３，４６内の圧力が室５２内の圧力が室５１内の圧
力と釣り合う。つまり、第１及び第２ベローズ４１，４
４内外の圧力差は殆どなくなる。

【００２８】尚、パワーピストン３６が図示左方向に移
動すると、上記作動と並行して、第１圧縮室３２内のヒ
ートポンプ回路２２のフレオンガスが膨張されて低圧に
なり、吸入弁３４ａが開放すると共に吐出弁３５ａが閉
じてヒートポンプ回路２２の低圧のフレオンガスが吸入
通路６１を介して第１作動室３２に供給される。

【００２９】一方、スターリングエンジン１１のディス
プレーサピストン１３が上死点に向かって移動すると、
前述の如く作動空間内のヘリウムガスの温度が高くな
り、作動空間内のヘリウムガスの圧力が低下する。その
低圧のヘリウムガスが通路６０を介して室３７内に導入
されると、室３７内の圧力が低下してパワーピストン３
６，作動ピストン３１及び可動部材３９が図示右方向に
移動する。その結果、第１圧縮室３２内のヒートポンプ
回路２２のフレオンガスが圧縮されて高圧になり、吸入
弁３４ａが閉じると共に吐出弁３５ａが開放して第１圧
縮室３２内の高圧フレオンガスが吐出通路６２を介して
凝縮器２４に供給される。この圧は、吐出通路６２及び
通路６３を介して第１及び第２中間圧室４２，４５に伝
達されると共に、吐出通路６２及び通路６５を介して圧
力調整器４７内の室５１に伝達される。ここで、この室
５１内の圧力が室５２内の圧力よりも高い場合には、浮
動ピストン４９が図示右方向に移動する。その結果、室
５２が圧縮されて圧力が上昇し、この圧力が第１及び第
２作動室４３，４６内に伝達されて、第１及び第２作動
室４３，４６内の圧力が室５２内の圧力が室５１内の圧
力と釣り合う。つまり、第１及び第２ベローズ４１，４
４内外の圧力差は殆どなくなる。

【００３０】尚、パワーピストン３６が図示右方向に移
動すると、上記作動と並行して、第２圧縮室３３内のヒ
ートポンプ回路２２のフレオンガスが膨張されて低圧に
なり、吸入弁３４ｂが開放すると共に吐出弁３５ｂが閉
じてヒートポンプ回路２２の低圧のフレオンガスが吸入
通路６１を介して第１作動室３２に供給される。

【００３１】このように、本実施例においては、第１圧
縮室３２と第１中間圧室４２とが完全に区画されている
と共に第２圧縮室３３と第２中間圧室４５とがハウジン
グ２７及びシール部材５３により完全に分離されている
ので、第１又は第２圧縮室３２，３３が圧縮されている
途中で、第１又は第２圧縮室３２，３３内のヒートポン
プ回路２２からのフレオンガスが第１又は第２中間圧室
４２，４５内に逃がされることはない。従って、圧縮機
の効率が従来技術と比較して向上する。

【００３２】又、圧力調整器５２により両ベローズ４
１，４４内外の室（即ち、第１中間圧室４２と第１作動
室４３及び第２中間圧室４５と第２作動室４６）間の圧
力差が限りなく小さくなり、両ベローズ４１，４４の耐
久性が向上する。

【００３３】一方、スターリングエンジン１１の高出力
化を図るためには、スターリングエンジン１１の作動空
間内のヘリウムガスの封入圧を高くする必要性があり、
その場合、圧縮機２３に導入されるスターリングエンジ
ン１１のヘリウムガスの封入圧が高くなる。又、ベロー
ズは、外圧に対する強度のほうが内圧に対する強度より
も大きいことが一般的に知られている。そこで、本実施
例においては、この高圧のヘリウムガスをベローズ４
１，４４外の室（即ち第１及び第２作動室４３，４６）
内に封入するようにしたので、第１及び第２ベローズ４
１，４４の耐久性が著しく向上する。つまり、スターリ
ングエンジン１１内のヘリウムガスの封入圧を高圧にし
ても何ら問題はなくなり、スターリングエンジン１１の
高出力化が容易に図れ、実用性が高くなる。

【００３４】更に、本実施例においては、作動ピストン
が１つのみ配設されているので、圧縮機２３が小型化で
きる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以下の如く効果を有する。

【００３６】圧縮機の効率が従来技術と比較して向上す
る。

【００３７】又、圧力調整器により両ベローズ内外の室
間の圧力差を限りなく小さくなり、両ベローズの耐久性
が向上する。

【００３８】更に、スターリングエンジンからの高圧の
作動ガスをベローズ外の室内に封入するようにしたの
で、両ベローズの耐久性が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るスターリングエンジン駆動のヒ
ートポンプの構成図である。

【符号の説明】

１０ スターリングエンジン駆動のヒートポンプ １１ スターリングエンジン ２２ ヒートポンプ回路 ２３ 圧縮機 ２４ 凝縮器 ２５ 膨張弁 ２６ 蒸発器 ２７ ハウジング ２８ 大径部 ２９ 第１小径部 ３０ 第２小径部 ３１ 作動ピストン ３２ 第１圧縮室 ３３ 第２圧縮室 ３４ａ，３４ｂ 吸入弁 ３５ａ，３５ｂ 吐出弁 ３６ パワーピストン ３８ ロッド（第１ロッド） ３９ 可動部材 ４０ ロッド（第２ロッド） ４１ 第１のベローズ ４２ 第１中間圧室 ４３ 第１作動室 ４４ 第２のベローズ ４５ 第１中間圧室 ４６ 第２作動室 ４７ 圧力調整器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機，凝縮器，膨張弁及び蒸発器を有
   するヒートポンプ回路の前記圧縮機をスターリングエン
   ジンの作動ガスにより動作させるスターリングエンジン
   駆動のヒートポンプにおいて、 前記圧縮機は、 大径部，前記大径部の一端に固定された第１小径部及び
   前記大径部の他端に固定された第２小径部を有した段付
   状のハウジングと、 前記ハウジングの大径部内に摺動自在に配設され、前記
   大径部との間で第１圧縮室及び第２圧縮室を形成する作
   動ピストンと、 前記第１，第２圧縮室にヒートポンプ回路の冷媒を導入
   するための一対の吸入弁と、 前記第１，第２圧縮室の冷媒をヒートポンプ回路に供給
   するための一対の吐出弁と、 前記ハウジングの第１小径部内に摺動自在に配設され、
   第１ロッドを介して前記作動ピストンと連結され、前記
   第１ロッドが連結された面とは反対の面がスターリング
   エンジンの作動ガスの圧力を受けるパワーピストンと、 前記ハウジングの第２小径部内に配設され、第２ロッド
   を介して前記作動ピストンと連結された可動部材と、 前記第１ロッドの前記第１小径部内に収容された部分を
   覆うように前記ハウジングと前記パワーピストンとに結
   合された第１のベローズと、 前記第１のベローズ内に形成され、前記ハウジングによ
   り前記第１圧縮室と区画された第１中間圧室と、 前記第１のベロースと前記第１小径部との間に形成さ
   れ、前記ハウジングにより前記第１圧縮室と区画された
   第１作動室と、 前記第２ロッドの前記第２小径部内に収容された部分を
   覆うように前記ハウジングと前記可動部材とに結合され
   た第２のベローズと、 前記第２のベローズ内に形成され、前記ハウジングによ
   り前記第２圧縮室と区画された第２中間圧室と、 前記第２のベロースと前記第２小径部との間に形成さ
   れ、前記ハウジングにより前記第２圧縮室と区画された
   第２作動室と、 前記第１中間圧室の圧力と前記第１作動室との圧力とを
   釣合せると共に前記第２中間圧室の圧力と前記第２作動
   室の圧力とを釣合せる圧力調整器とを有し、 前記両ベローズ外に通じる室にスターリングエンジンの
   作動ガスを封入し、両圧縮室に通じる室にヒートポンプ
   の冷媒を封入したことを特徴とするスターリングエンジ
   ン駆動のヒートポンプ。